Классификация способов обработки материалов потоками излучения

1. Введение

1.1. Классификация способов обработки
материалов потоками излучения.
1.2.
Общие
черты
и
особенности
воздействия на вещество различных видов
потоков заряженных частиц.
1.3. Структура, цели и задачи настоящего
курса.
1

2. Основные блоки задач в проблеме радиационной обработки материалов

создание техники (оборудования), генерирующей потоки ионов,
электронов, нейтральных атомов, плазмы, кластеров и т.д.;
исследование явлений, лежащих в основе эффекта воздействия
(например, имплантации, распыления, осаждения, перемешивания,
нагрева, деформирования и т.д.);
разработка технологий решения конкретных задач, например,
изменения
топографии
поверхности,
активации
поверхности,
изменения структуры или химического состава, нанесения или
удаления слоев, отжига дефектов и др.,
анализ
результатов
обработки:
измененной
шероховатости
поверхности, глубины (толщины) модифицирующего слоя, его
структуры, состава и фазового состояния, количества нанесенных
слоев, адгезионной способности нанесенного покрытия, уровня
остаточных напряжений и др.,
исследование эксплуатационных и других свойств, созданных
обработкой (например: износостойкости, эрозионной и коррозионной
стойкости, прочности, твердости, выносливости, термостойкости,
сопротивления трению и др.).
2

3. Основная задача настоящего курса

Для решения всех этих многочисленных и
разнообразных
задач
необходимы
знания
фундаментальных закономерностей взаимодействия
отдельных частиц и образованных ими потоков с
веществом.
Задача курса - изучение этих закономерностей.
3

4. Классификация способов обработки материалов потоками излучения

1.
По природе взаимодействия энергетических частиц
с материалами:
- физическое взаимодействие;
- химическое взаимодействие
4

5.

Классификация способов обработки
материалов потоками излучения
2. По типу частиц:
- ионные пучки;
- электронные пучки;
- потоки плазмы;
- потоки электромагнитного излучения;
- комбинированное воздействие разных видов
частиц.
5

6. Классификация способов обработки материалов потоками излучения

3. По мощности вводимой энергии:
- потоки излучения невысокой мощности (ниже 105 Вт/см2),
например:
ионные пучки непрерывного действия;
электронные пучки непрерывного действия;
потоки низкотемпературной плазмы;
комбинированное воздействие плазмы и пучков
заряженных частиц;
- концентрированные потоки энергии, создаваемые:
мощными импульсными электронными пучками;
мощными импульсными ионными пучками;
потоками высокотемпературной импульсной плазмы;
лазерным излучением.
6

7.

● При невысокой мощности потока излучения
во
многих
случаях
основу
эффекта
воздействия
излучения
на
вещество
составляет
чисто
радиационный
аспект
взаимодействия отдельных частиц с атомами
вещества.
● При
увеличении
мощности
энергии,
переносимой
частицами,
характер
их
воздействия на поверхность твердого тела
утрачивает чисто радиационный аспект. Он
является результатом коллективного действия
частиц и становится термическим.
7

8. Пучки заряженных частиц

• Пучок -
направленное движение совокупности
ускоренных частиц, причем, как правило, одного
знака.
• Пучки бывают:
-
моноэнергетическими (когда все частицы имеют
одинаковую кинетическую энергию);
полиэнергетическими
(имеется
некоторое
спектральное распределение частиц по энергиям).
8

9. Пучки заряженных частиц

Параметры пучков:
вид частиц;
их начальная энергия, т.е. та энергия, с которой
они попадают на поверхность мишени;
плотность тока в пучке, которая определяется
количеством частиц, приходящихся на единицу
площади поперечного сечения пучка;
флюенс пучка (доза облучения);
плотность энергии пучка;
длительность облучения и др.
9

10. Пучки заряженных частиц

С точки зрения воздействия во времени пучки
могут быть:
- непрерывными,
- импульсными,
- частотно-импульсными.
10

11. Особенности плазменного воздействия

● Плазма есть совокупность различных частиц:
нейтралей, радикалов (химически активных
частиц), ионов, электронов.
● Процессы, происходящие в плазме и в твердом
теле взаимосвязаны.
Рабочим телом плазмы являются газы (Ar,
He, H2, O2, N2 и др.) и воздух.
В ней также могут содержаться ионы и атомы
веществ,
с
поверхностями
которых
она
соприкасается.
11

12. Особенности плазменного воздействия

● В изучении воздействия плазмы на вещество
очень часто ее подразделяют на:
низкотемпературную (Т ~ 104 К);
высокотемпературную.
Высокотемпературная
плазма,
которую
изучают
применительно
к
управляемому
термоядерному синтезу (воздействие на стенки
термоядерного реактора), имеет энергию частиц
порядка нескольких десятков кэВ.
Ее воздействие очень сходно с воздействием
пучков заряженных частиц.
12

13. Особенности плазменного воздействия

Низкотемпературная
плазма
образована
различными частицами с относительно низкими
энергиями: от тепловых до нескольких десятков или
даже сотен эВ.
Природа основных рабочих частиц плазмы
определяет, будет ли механизм воздействия на
материал физическим или химическим.
13